[发明专利]用于矿井水泥粘结成分的失水添加剂

说明书

本发明涉及水泥砂浆添加剂，该添加剂对防止水泥砂浆失水是有效的。本发明的另一个方面涉及防止水泥砂浆失水的方法。本发明的第三方面涉及具有改进失水性能的水泥砂浆。本发明的再一个方面涉及对油井和天然气井进行水泥灌浆的改进方法。

在石油和天然气工业中，使用水泥粘结成分，以加固周围岩层和管道或壳体之间的井孔中的环形空间。典型的是，通过环形空间，水泥砂浆被送入壳体内侧，并回升到壳体外侧。用以形成水泥砂浆的水量，主要取决于所选水凝性水泥的类型和现有的施工条件。根据浆稠度和所需强度等因素，用水量可在很宽的范围内变化。

在多孔性或近于多孔性的介质中，必须多次浇灌水凝性水泥，例如，井孔中的地层。发生这种情况时，水泥硬化期间，水从砂浆中滤出并渗入岩层。许多困难同无法控制的此类失水有关，例如无法控制的硬化速率、砂浆的不适当位置、强度性能的削弱以及周围岩层的污染。在对油井和天然气井进行水泥灌浆的作业中，这些条件不都是理想的。

过去，为了减少含水水泥砂浆的失水，使用了各种各样的材料。可惜的是，这些材料常常对水泥本身有不利影响。

例如，美国专利第4，015，991号，使用丙烯酰胺和2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸的共聚物作水泥砂浆的失水添加剂。尽管这种共聚物可以减少水泥砂浆失水，但仍存在降低水泥抗压强度和延缓水泥硬化速率的不利影响。

现有失水添加剂的另一个问题，是该添加剂在300°F和450°F的温度范围内无效。例如，美国专利第4，015，991号中叙述的共聚物，在温度超过250°F时就无效。

因而，本发明对研制添加剂的技术有着重大价值，这种添加剂可以减少水泥砂浆失水，而不会降低水泥强度或延缓水泥硬化速率。

本发明对于研制在提高的温度下减少水泥砂浆失水的添加剂也有重要贡献。

本发明的一个目的是提供一些添加剂，该添加剂可以减少水泥砂浆失水，而不会降低水泥的抗压强度或延缓水泥硬化速率。本发明的另一个目的是，提供一种在高温下防止水泥砂浆失水的添加剂。本发明的第三个目的是，提供一种减少水泥砂浆失水，而不会降低水泥强度或延缓水泥硬化速率的方法。本发明的第四个目的是，提供一种在高温下减少水泥砂浆失水的方法。本发明还有一个目的是，提供在高温下具有改进的失水性能的水泥组合物。本发明的第六个目的是，提供一种向油井和天然气井进行水泥灌浆的改进方法。

本发明发现了一种由（A）四元聚合物、（B）碱、（D）至少一种表面活化剂，以及（E）水组成的添加剂，该添加剂可以减少水泥砂浆失水，而不会降低水泥抗压强度或延缓水泥硬化速率。本发明还发现该添加剂可在高温下控制水泥砂浆失水。

在本申请中所用的四元聚合物一词是指一种水溶性聚合物。它由以下成分组成：a）1%到60%（重量）的N-乙烯基-2-吡咯烷酮，b）1%到60%（重量）的由丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺中选择的至少一种单体，c）10%到90%（重量）的由2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸，或2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸钠中选择的至少一种单体，以及d）1%到60%（重量）的由丙烯酸或丙烯酸钠中选择的至少一种单体。

本发明的四元聚合物及其制备方法，对于熟知本技术的人来说是众所周知的。通过在溶液、悬浮液或乳液介质中任何熟知的自由基聚合技术，可以获得该聚合物制品。例如，参看美国专利第3，547，899，或欧洲专利申请第0115836号。此外，对于熟知本技术的人来说，也许可以使用另一种聚合方法，本发明并不局限于制备本文开始提到的四元聚合物的任何一种特殊方法。

本发明的四元聚合物的分子量，可以在相当大范围内变化。分子量可以低到30，000或高达1，000，000，或者更高。假如加入这种四元聚合物的含水水凝性水泥砂浆的性质不会受到相反的影响。

目前，现有的最佳四元聚合物包含30%到40%（重量）的N-乙烯基-2-吡咯烷酮、5%到15%（重量）的丙烯酰胺、50%到60%（重量）的2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸钠，以及1%到10%（重量）的丙烯酸。

本发明中适用的电解质（B），可以由含氯、溴、碘、硝酸或氟的钠、钾、锂或铵盐中选择。目前最好的电解质是氯化钾。

本发明中适用的碱（C），包括由氢氧化钾、氢氧化钠、或氢氧化铵中选择的那些碱。优先选择的碱是氢氧化钾。

本发明中适用的表面活化剂（D），可以由以下物质中选择：

（1）分子式为RCOO^-M⁺的羧酸盐，